Domů     .Top
Temná hmota se přestává schovávat
Michal Andrle 22.3.2012

Temná hmota se ve slovníku současných fyziků a astronomů vynořila poprvé proto, aby pomohla zacelit nesrovnalosti v pozorování pohybu hvězd v některých typech galaxií. Od té doby fyzikové v urychlovačích částic i ve vesmíru pátrají po čemkoliv, co by bylo možné za temnou hmotu označit.

Rodí se již nejen představa jejích tajemných částic, ale i první mapy jejího rozmístění ve vesmíru.

Na počátku 20. století nahradil Albert Einstein (1879–1955) staré, Newtonem položené základy fyziky základy novými, relativistickými. Na krátkou dobu se zdálo, že vesmír přišel o většinu ze svých tajemství.

Idyla však netrvala dlouho. Sotva 20 let po Einsteinově epochálním vystoupení se ozval první hlas oznamující, že funguje-li gravitace podle Einsteinových zákonů, pak ve vesmíru, jak jej pozorujeme, něco nutně chybí.

Pro substanci, která si od té doby hraje s vědci „na schovávanou“, se vžil název „temná hmota“. Vědcům z několika vědeckých týmů se nedávno podařilo temnou hmotu nikoliv přímo „zapikat“, ale zahnat ji alespoň do kouta, z něhož se jí bude už těžko utíkat.

Kupka sena okolo jehly

„Hřiště“, na němž se hraje hra „na fyziku“, je vymezeno lépe než jakékoliv jiné. Podle současných znalostí nepůsobí v přírodě jiné síly než čtyři základní: silná a slabá jaderná interakce, elektromagnetismus a gravitace.

Vše, co můžeme pozorovat, musí být výsledkem „přetahování“ mezi nimi. Potíž, na niž poprvé narazil astronom Fritz Zwicky (1898–1974) ve 30. letech 20. století, spočívá v tom, že by měl existovat typ hmoty, která tato pravidla tak trošku ignoruje.

Tedy – neignoruje je zcela. Spíše s nimi hraje hru na schovávanou.

Záhadná „temná hmota“, která by podle současných výpočtů měla tvořit celých 23 % vesmíru, totiž neinteraguje (vzájemně nepůsobí) se světlem ani s žádnou jinou vlnovou délkou elektromagnetického záření (např. rádiovými vlnami, mikrovlnami, infračerveným světlem, UV světlem atd.).

Stejně tak je na ni krátká i silná jaderná interakce. Pro pozorování tedy zbývají už jen poslední dvě ze čtyř základních sil přírody: gravitace a slabá jaderná interakce.

Duch procházející zdí

Vědci si však velmi záhy uvědomili, že kandidáta na temnou hmotu je možné hledat i jinde než mezi tzv. baryonovou hmotou. Baryony, tedy částice tvořené ještě titěrnějšími stavebními cihličkami, kvarky, v sobě koncentrují drtivou většinu hmoty, z níž je vytvořeno vše kolem nás.

Tedy všechno – „pouze“ to, co dokážeme vnímat nejen svými smysly, ale i prostřednictvím velmi delikátní přístrojové techniky. Temná hmota však musí mít zvláštní vlastnosti, díky nimž prochází skrz všechno ostatní jako duch zdí.

V rodině doposud známých částic mají k takovým vlastnostem nejblíže neutrina. Ta jsou však podle všech současných měření příliš lehká na to, aby zapadala do matematických modelů. Řadu podobných vlastností by měli mít i další kandidáti v částicovém světě, tzv.

axiony, jejichž existence byla předpovězena již v roce 1977. I přes velmi intenzivní pátrání se však tyto částice zatím nepodařilo objevit.

Slabé, ale hmotné

V modelech fyziků a kosmologů se proto velmi zabydlela představa neznámých částic, jež by měly vlastnosti velmi podobné neutrinům či axionům, byly by však podstatně hmotnější. Těmto zatím pouze „vymyšleným“ částicím přezdívají fyzikové WIMPs, tedy „slabě interagující těžké částice“ („Weakly Interacting Heavy Particles“).

Pátrání po nich se věnuje řada vědeckých týmů světa a odehrává se ve dvou extrémních oblastech. První z nich jsou zemské hlubiny, většinou opuštěné doly, v nichž jsou umístěny přístroje, které by měly zachytit průchod Země skrz temnou hmotu.

Principem takových detektorů je kolize atomových jader krystalu s částicemi WIMP prostřednictvím slabé interakce.

Při takové kolizi by se měl vyzářit foton, a přítomnost částic WIMP se proto projeví jako slabý záblesk. Druhou z oblastí, k níž se vědci obracejí, jsou procesy ve vesmíru. V posledních měsících se z obou táborů vědců ozvaly novinky (?), které naznačují, že tajemné WIMPsy by se mohly přestat schovávat.

Let po proudu i proti němu

Detektory umístěné v hlubinách ověřují jeden základní předpoklad. Celoroční pohyb Země okolo Slunce by totiž měl mít za následek, že část roku letí Země po směru, jinou část proti směru proudu částic WIMP. Tento drobný rozdíl by mohl být velmi citlivým detektorem zachycen jako slaboučký záblesk v aktivní látce detektoru.

První vlaštovkou byly výsledky, které detektor DAMA umístěný pod horou Gran Sasso takřka v samém středu Itálie přinesl již v roce 1998. Výsledky jediného experimentu však vědcům nikdy nestačí, a tak bylo třeba pátrat dál.

Skeptici namítali, že signál mohl být způsoben radioaktivními látkami, které se do podzemí dostaly spolu s tajícím sněhem.

Nové zprávy z hlubin

Od roku 2003 začaly z podzemí hory Grand Sasso přicházet další zajímavé zprávy. Vylepšená verze DAMY s názvem LIBRA zachytává každoročně ještě silnější signál. Nejvíce novinek však přinesl rok loňský, tedy rok 2011. Detektor CRESST II., umístěný taktéž pod horou Gran Sasso, zachytil během jednoho roku na 67 signálů, které nelze vysvětlit jiným způsobem než interakcí s WIMPs.

K obdobným výsledkům došel i detektor CoGeNT v americkém dole Soudan ve státě Minnesota, který začal sbírat data v roce 2009. Po 442 dnech měření došli vědci k závěru, že záblesky, které vykazovaly specifické sezonní rozdělení.

(…??? chybí konec věty?).

„Je-li tomu skutečně tak, pak máme před sebou krásný příklad signálů, prozrazujících existenci temné hmoty,“ neskrývá nadšení mluvčí experimentu CoGeNT Juan Collar z University of Chicago. I když se výsledky měření Italů a Američanů neshodují přesně, všechny ukazují na „těžké“ částice v oblasti 7–20 gigaelektronvoltů.

A další zprávy z vesmíru…

Se zprávami z táborů pátračů po temné hmotě jako by se v posledních měsících roztrhl pytel. Tentokrát se však nejedná o výsledky pátrání v temných dolech, ale v hlubinách vesmíru. Novinky přinesl zejména Fermiho vesmírný teleskop, jehož úkolem je propátrávat vesmír v oblasti vysokoenergetického gama záření, v níž by se částice WIMP měly nejsnadněji prozradit.

Vzájemné kolize částic WIMP by totiž musely nechávat stopy v podobě kaskády částic, na které by se díky srážce rozpadly. Pozorování takových dějů však není jednoduché, zdrojem vysokoenergetického gama záření jsou ve vesmíru například pulzary či vybuchující supernovy.

„Částicová fyzika stojí a padá s pečlivou statistickou analýzou dat. Data získaná z vesmíru je třeba statisticky prosévat ještě opatrněji než data z pozemských experimentů,“ vysvětluje jeden z nejuznávanějších expertů na tuto problematiku, Dan Hooper z Fermilabu v americkém státě Illinois.

Pohled na galaktické trpaslíky

Do pečlivé statistické analýzy se ve Fermilabu pustily hned dva týmy. První z nich, který vedl Johann Cohen Tanugi z univerzity ve francouzském Montpellieru, se věnoval analýze dat nashromážděných během dvou let pozorování deseti tzv. trpasličích galaxií obíhajících Mléčnou dráhu.

Druhý tým pod vedením Alexe Gehinger-Sametha a Savvase Koushiappase z Brownovy university z Rhode Islandu v USA se zaměřil také na trpasličí galaxii v okolí Mléčné dráhy. Vybrali si jich sice „jen“ 7, zato však analyzovali data ze 3 let pozorování.

I když oba týmy používaly jiný soubor dat a jiný způsob statistické analýzy, došly nezávisle na sobě k podobným závěrům. Pakliže tajemné částice WIMP skutečně existují, pak musejí být relativně těžké s energií okolo 40 gigaelektonvoltů.

Příliš málo paprsků

A jak k takovému závěru vědci došli? „Kdyby byla každá částice temné hmoty malá a lehká, muselo by jich být ke způsobení nepřímo pozorovaných gravitačních efektů velké množství. Kdyby jich však bylo tolik, muselo by proběhnout mnohem více srážek a my bychom zaznamenali mnohem více gama paprsků.

To se však nestalo,“ vysvětluje prof. Koushiappas.

Ani to však ještě neznamená vítězství. Řada proměnných může být totiž skryta v předpokladech, které podobný typ lovu vůbec učinily smysluplným.

„Kdyby se temná hmota rozpadala na částice, které Fermiho teleskop nedokáže odhalit, nebo kdyby se v době, kdy byl vesmír mladší a teplejší, pohybovaly rychleji, byla by jejich energie stále pod hodnotou 10 gigaelektronvoltů,“ vysvětluje prof.

Hooper. Příběh lovu na částice temné hmoty tak má ještě stále řadu otevřených konců.

Počátky „temné kartografie“

Tím však nedávné pokroky v odhalování „temných“ stránek vesmíru nekončí. Kongres Americké astronomické společnosti, který se zde konal 8.–12. ledna letošního roku, proto bude možná v budoucnu označen jako počátek „temné kartografie“.

Své výsledky při mapování distribuce temné hmoty ve vesmíru představilo hned několik týmů z prestižních světových vědeckých pracovišť.

Při budování svých map vědci využili možnost, že po temné hmotě lze pátrat tím nejtradičnějším způsobem, tedy pomocí gravitace. Jelikož gravitace působí na všechny známé typy substancí ve vesmíru, lze skrze její viditelné působení na její neviditelnou příčinu alespoň usuzovat.

„Stačí“ přesně analyzovat distorze (zkreslení) světelných paprsků, které k nám vysílají vzdálené galaxie. A jelikož spolu se pozorováním světla cestují astronomové vlastně zpátky v čase (často i miliardy let), dají se jejich „mapy“ vlastně nazvat čtyřdimenzionálním modelem.

První mapy temné hmoty ve 4D

„Je fascinující, že můžeme temnou hmotu vidět skrze „pokroucení“ časoprostoru. Poznání, jakým způsobem je temná hmota ve vesmíru distribuována, je důležitým krokem k rozpoznání její povahy a následně toho, jak – a zda vůbec – zapadá do současné struktury fyzikálního poznání,“ popisuje své nadšení jeden ze spoluautorů jedné z map profesor Ledovic Van Waeberke z University of British Columbia v kanadském Vancouveru.

„Nastane díky poznání temné hmoty v budoucnu dominový efekt vědeckého pokroku? Povede k poznání povahy temné energie, jednotné teorii pole či Teorii Všeho, o níž fyzikové sní celá staletí?,“ klade důležité otázky budoucnosti Dan Hooper z Fermilabu.

Zatím můžeme jen tipovat. 21. STOLETÍ bude své čtenáře o každém dalším důležitém kroku informovat.

Chybějící hmota ve vesmíru

Jako první přišel s myšlenkou švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky již v roce 1933. Zwicky pozoroval výrazné nesrovnatelnosti v pohybu galaxií v kupě zvané Coma Beranici. K tomu, aby se galaxie pohybovaly tak, jak je viděl ve svém teleskopu, by v nich muselo být asi 10x více hmoty, než bylo vidět.

Zwicky byl však v osobním styku velmi nepříjemným člověkem a jeho kolegové se mu přirozeně odvděčili očekávatelně lidským způsobem: prostě jej i jeho práci ignorovali.

O 40 let později se však postupně začaly vršit důkazy pro to, že jeho závěry by mohly mít pro astronomii a fyziku epochální důsledky. Velký podíl na vrácení pojmu temné hmoty do hry měla na přelomu 60. a 70. let.

mladá americká astronomka Vera Rubinová, která se věnovala studiu rychlosti rotace spirálních galaxií. Její kalkulace opět ukázaly, že hmoty je v galaxiích příliš málo na to, aby se hvězdy pohybovaly tak rychle, jak astronomové pozorovali.

MOND aneb tradiční fyzika se brání

*Zavedení pojmu „temná hmota“ do slovníku fyziků se odehrálo způsobem, který v odborné komunitě zvedl vlnu protestů. Připuštění její existence totiž v podstatě znamená, že vysvětlujeme něco, co dobře známe a umíme změřit prostřednictvím něčeho, co nikdy nikdo neviděl a o čem dříve nebylo třeba vůbec přemýšlet.

*Jedním z nejznámějších pokusů o vymetení temné hmoty z hlav fyziků provedl již v roce 1983 Mordehai Milgrom z Weizmannova institutu v izraelském Rehovotu. Jeho teorie se nazývá „upravená newtonovská dynamika“ (MOND).

*Milgrom následoval největšího z fyziků Isaaca Newtona (1643–1727) v tom, že se snažil vytvořit nejjednodušší model, vytvořený na základě faktů, které jsou známy. Zvláštnosti v pohybu hvězd v galaxiích proto nevysvětloval přítomností neznámé substance, ale tím, že druhý Newtonův zákon (zákon síly) neplatí vždy stejně, ale liší se pro velké a malé zrychlení.

Paradoxně byl tak nucen ve jméně Newtona jeho vlastní teorii popřít. V současné době však většina vědců věří spíše novější cestě, tedy vysvětlení prostřednictvím temné hmoty.

MACHO(vé) ve vesmíru

Někteří vědci předpokládají, že k vysvětlení pozorovaných odchylek v pohybech vesmírných objektů by mohly stačit i (velmi hmotné) objekty, tvořené „obyčejnou“, jenom nezářící hmotou. Protože by se měly vyskytovat na okrajích galaxií, v tzv.

galaktickém halu, získaly přezdívku MACHO (z angl.„Massive Astrophysical Compact Halo Object“). Jak by takový objekt mohl vypadat? Potenciálních kandidátů je celá řada: černé díry, neutronové hvězdy, bílí, hnědí či velmi slabě zářící červení trpaslíci a dokonce jakési „bludné“ planety.

Astronomové po nich pátrají pomocí tzv. „gravitačních čoček“, zatím však bezvýsledně.

Americký fyzici Geoge Chapline z Lawrencovy národní laboratoře v kalifornském Livermooru a Robert Laughlin ze Stanfordu v kalifornském Palo Alto zašli dokonce tak daleko, že navrhli existenci zatím nepozorovaného typu hvězd zvaných „dark-energy stars“. Na této cestě je však většina fyziků nenásleduje.

Sražené kupy galaxií

Takzvané kupy galaxií (angl. „galaxy clusters“) jsou obří seskupení o stovkách galaxií. Astronomové je rádi studují, jelikož pro ně představují jakési „vesmíry v malém“, které je mohou o dějích v tom velkém vesmíru v mnohém poučit.

Jedním z takových malých vesmírů je i galaktická kupa DLSCL J0916.2+2951. Abychom však byli přesní: nejde o kupu jednu, ale o dvě, z nichž každá obsahuje stovky galaxií. Tyto dvě kupy se před 5 000 000 000 let srazily.

„Jelikož se obě části oddělují různé hmotné komponenty kupy, poskytují astronomům průřez vesmírem, který jinak nebyl možný,“ vysvětluje astrofyzik William Dawson z univerzity v kalifornském Davisu, který se výzkumu tohoto objektu v současné objektu věnuje.

Podle jeho současných pozorování jsou splývající kupy složeny z 85 % z temné hmoty, 14 % připadá na mezihvězdný plyn a pouhé 1 % tvoří galaxie.

Související články
Působivá kolekce slabých, ale barevných kosmických objektů na tomto snímku je známá jako mlhovina Racek, protože svým vzhledem připomíná ptáka v letu. Útvar tvoří oblaky prachu, vodíku, hélia a malého množství těžších chemických prvků. Celá oblast je místem zrodu nových hvězd. Mimořádné rozlišení tohoto záběru pořízeného pomocí přehlídkového teleskopu ESO/VST odhaluje detaily jednotlivých astronomických objektů, […]
Zřejmě největší druh papouška v historii objevili australští paleontologové. Podle všech indicií dosahoval výšky až jednoho metru, vážil asi 7 kilogramů, nelétal a mohl se chlubit skutečně silným zobákem. Pták dostal pojmenování Heracles inexpectatus a doba jeho života je datována přibližně před 19 miliony lety. „Nový Zéland je dobře známý svými velkými nelétavými ptáky. Dominantní […]
Čeští egyptologové mají v brzké době v plánu tříměsíční výpravu do lokality Abúsír, kde chtějí pokračovat v průzkumu údolního chrámu faraona Niuserrea a okolí hrobky hodnostáře Ceje. Lucie Jirásková z Českého egyptologického ústavu FF UK řekla, že je v plánu také zpracování vykopaných předmětů. „V průběhu výzkumů není moc času na zpracování nálezů. Necháváme si na to tedy měsíc, kdy […]
Protože elektrokola nebývají úplně levnou záležitostí, je pro každého majitele nejdůležitější ze všeho kvalitní ochrana před krádeží. Toho si je dobře vědom i nizozemský výrobce kol VanMoof, který bez mrknutí oka tvrdí, že má tu nejlepší ochranu na světě. Skutečně nepřehání? Pokud se podrobněji podíváme na ochranu jejich elektrokol Electrified S2 a X2, pak je […]
Kriticky ohrožený sýček obecný letos významně posílil populaci díky velkému množství hrabošů. Teď pro něj malý hlodavec může být hrozbou. Zemědělci dostali povolení trávit hraboše plošně rozhozeným jedem. Od 5. srpna jim to umožňuje rozhodnutí Ústředního kontrolního a zkušebního ústavu zemědělského (ÚKZÚZ) podřízeného ministerstvu zemědělství. Ornitologové varují, že v ohrožení je mnoho živočichů a především […]
reklama
Nejčtenější články
za poslední
24 hodin    3 dny    týden
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
reklama
Copyright © RF-Hobby.cz